衬底、基于所述衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，提供一种衬底，包括基底，所述基底上表面具有一个分布均匀且方向与厚度均保持一致的纳米柱层，所述纳米柱层高度为0.2～5um；任意两纳米柱之前间隔相等，所述间隔为0.2～5um；所述纳米柱层任一纳米柱的端面均为圆形端面或者正六边形端面，其直径或对角线长度为50～1000nm。本发明专利技术具有以下优点：(1)生长在纳米柱上的氮化镓材料同样具有纳米结构特性，位错很低；(2)在纳米柱层二维侧向生长GaN层过程中进一步降低位错；(3)纳米柱之间存在的均匀空隙，可以有效吸收HVPE异质外延产生的应力；(4)在降温时由于热胀冷缩不同的应力可以使氮化镓和衬底在纳米柱交界处更容易地剥离。

【技术实现步骤摘要】
衬底、基于所述衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法
本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种衬底以及基于所述衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法。
技术介绍
GaN是第三代宽禁带半导体的典型代表，已被广泛应用于半导体照明、微波功率器件和电力电子器件等方面，展现出巨大的应用前景。用于氮化镓生长的最理想衬底自然是氮化镓单晶材料，这样的同质外延(即外延层和衬底是同一种材料)可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是氮化镓单晶生长困难，价格昂贵，大规模化同质外延生长目前仍然没有可能。因此，目前氮化镓单晶制备仍然采用异质外延，如硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底等。目前基本上所有的商业化GaN衬底(晶圆，基片)都是通过HVPE制造的。但是其尺寸通常还是局限在2寸，更大的尺寸比如4英寸受到了曲率半径的限制。而HVPE由于采用异质外延，晶格常数和热膨胀数造成的应力会引起氮化镓在长厚时或冷却时开裂。现有的解决方法是在蓝宝石表面先用MOCVD生长几微米GaN薄膜并进行界面处理形成各种掩模，一方面减少生长时的起始缺陷并形成应力屈服型衬底，从而使GaN生长的临界厚度尽可能大比如达到几百微米甚至几个毫米；另一方面是制造弱界面，这样可以在降温时由于热膨胀数不同引入的切应力来造成GaN和蓝宝石或其他衬底的自动剥离。这种方法的本质是通过插入一个在异质衬底界面上的过渡层，达到降低生长时的位错和应力的目的，并使生长的氮化镓在降温时与蓝宝石容易剥离。然而此类方法存在不足：1、成本高，需要昂贵的设备和指标过程如光刻机或MOCVD；2、需要额外的设备及工序，从而使过程控制性能差，良率降低；3、吸收应力的效果不是非常显著。目前工业上的氮化镓自支撑衬底最大在4寸左右，远没有达到异质衬底如硅、蓝宝石、碳化硅的尺寸比如8寸甚至更大。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题，做出研究改进，提供一种衬底以及基于该衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供一种衬底，包括基底，所述基底上表面具有一个分布均匀且方向与厚度均保持一致的纳米柱层，所述纳米柱层高度为0.2～5um；任意两纳米柱之前间隔相等，所述间隔为0.2～5um；所述纳米柱层任一纳米柱的端面均为圆形端面或者正六边形端面，其直径或对角线长度为50～1000nm。作为本专利技术的优选设置，所述基底包括但不限于硅基底、蓝宝石基底、碳化硅基底或砷化镓基底中任一种。作为本专利技术的优选设置，所述GaN纳米柱层生长基于HVPE方法，温度控制为400～800℃，V/III100～500，压力0.1～1atm，同时在载气中通入HCl，HCl在气相中的分率为0.01～0.2。生长时间10～30min，并在GaN纳米柱层生长沉积完成后升温至1000℃在NH3环境中进行退火处理3～10min。作为本专利技术的优选设置，所述纳米柱层中纳米柱呈正六边形排布。作为本专利技术的优选设置，所述基底与所述纳米柱层间还设有一层过渡金属层作为催化剂促进纳米柱层生长，所述金属层厚度5～20nm。作为本专利技术的优选设置，所述过渡金属层材质为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta中任一种。基于所述衬底的自支撑GaN单晶制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提供权利要求1～权利要求6任一所述的衬底；(2)于所述GaN纳米柱层顶端生长二维具有高侧向延展性的GaN层；(3)在所述GaN层上持续生长GaN单晶厚膜；(4)降温、剥离，将GaN单晶厚膜自所述衬底上剥离，形成自支撑晶体。作为本专利技术的优选设置，步骤(2)中所述GaN层厚度为5～10um，生长温度设置为900～1100℃，压力设置为100～760Torr，V/III小于20，处理时间设置为30～60min。作为本专利技术的优选设置，步骤(3)基于HVPE方法，进一步还包括维持GaN单晶厚膜继续生长与形貌的方法：①不断增加温度，增加幅度为GaN单晶厚膜每增长1mm温度增加1～10℃；②不断增加NH3；增加幅度为GaN单晶厚膜每增长1mmNH3(或相应的V/III)增加5％～50％。基于所述衬底的自支撑GaN单晶，所述基于所述衬底的自支撑GaN单晶采用如权利要求7～权利要求9任一所述的制备方法制备得到。如上所述，本专利技术提供的衬底以及基于该衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法，具有以下有益效果：具有纳米柱层结构的衬底具有以下优点：(1)生长在纳米柱上的氮化镓材料同样具有纳米结构特性，其位错很低；(2)在纳米柱层二维侧向生长GaN层过程中进一步降低位错；(3)纳米柱之间存在的均匀空隙，可以有效吸收HVPE异质外延产生的应力；(4)在降温时由于热胀冷缩不同的应力可以使氮化镓和蓝宝石在纳米柱的地方非常容易地剥离。本专利技术通过衬底的纳米柱层为生长提供成核层，保证了GaN纳米柱层方向性高度一致的同时具有均匀的厚度与排列空隙。极低位错的纳米柱层为接下来GaN的生长了提供了高质量的成核点；其顶端形成的具有高侧向延展性的GaN层因为位错转向也因此具有更高的质量。同时纳米柱层均匀的排列空隙有效释放了应力，降低了翘曲，在生长结束降温时消除了开裂促进了自剥离，提高了自支撑氮化镓制备的良率。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基底结构示意图。图2是本专利技术实施例提供的衬底底结构示意图。图3是本专利技术实施例步骤(2)结构示意图。图4是本专利技术实施例步骤(3)结构示意图。其中，100-基底101-过渡金属层；102-GaN纳米柱层；103-GaN层；104-GaN单晶厚膜；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本专利技术作进一步地详细说明。本专利技术提供的衬底以及基于所述衬底的自支撑GaN单晶及其制备方法，其核心是减少异质衬底与GaN单晶厚膜之间的应力作用，正是因为这种应力作用，导致了GaN单晶在制备过程中发生翘曲、开裂。纳米柱层是降低位错和应力，提高翘曲半径(或减少翘曲度)的关键。一方面，生长在衬底纳米柱层的GaN纳米柱层质量很高，成核在上面的GaN层位错很低，而且通过GaN的二维侧向生长进一步减低了位错；另一方面，因为界面处大量空隙的存在，形成了屈服衬底，在生长时吸收了应力。低位错和应力吸收能有效地减少翘曲。最后，纳米柱层均匀的排列空隙在生长结束降温时更有利于剥离。根据图1～2，本专利技术提供一种衬底，包括基底100，所述基底100上表面具有一个分布均匀且方向与厚度均保持一致的纳米柱层102，，所述纳米柱层102高度为0.2～5um；任意两纳米柱之前间隔相等，所述间隔为0.2～5um；所述纳米柱层101任一纳米柱的端面均为圆形端面或者正六边形端面，其直径或对角线长度为50～1000nm。纳米柱层形成基于HVPE工艺生长，纳米柱层生长条件温度设置为1000～1200℃，压力设置至少为760Tor本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种衬底，包括基底，所述基底上表面具有一个分布均匀且方向与厚度均保持一致的GaN纳米柱层，其特征在于，所述GaN纳米柱层高度为0.2～5um；任意两GaN纳米柱之前间隔相等，所述间隔为0.2～5um；所述GaN纳米柱层任一GaN纳米柱的端面均为圆形端面或者正六边形端面，其直径或对角线长度为50～1000nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种衬底，包括基底，所述基底上表面具有一个分布均匀且方向与厚度均保持一致的GaN纳米柱层，其特征在于，所述GaN纳米柱层高度为0.2～5um；任意两GaN纳米柱之前间隔相等，所述间隔为0.2～5um；所述GaN纳米柱层任一GaN纳米柱的端面均为圆形端面或者正六边形端面，其直径或对角线长度为50～1000nm。


2.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述基底包括但不限于硅基底、蓝宝石基底、碳化硅基底或砷化镓基底中任一种。


3.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述GaN纳米柱层生长基于HVPE方法，温度控制为400～800℃，V/III100～500，压力0.1～1atm，同时在载气中通入HCl，HCl在气相中的分率为0.01～0.2，生长时间10～30min，并在GaN纳米柱层生长沉积完成后升温至1000℃在NH3环境中进行退火处理3～10min。


4.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述GaN纳米柱层中GaN纳米柱呈正六边形排布。


5.如权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述基底与所述GaN纳米柱层间还设有一层过渡金属层作为催化剂促进纳米柱层生长，所述金属层厚度5～20nm。


6.如权利要求4所述的衬底，其特征在于，所述过渡金属层材质为Ti、V、C...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘良宏，许彬，张海涛，
申请(专利权)人：无锡吴越半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32